文摘

在初始阶段的研究工作,进行了准静态压缩试验发泡聚苯乙烯(EPS)泡沫可压碎的物料描述在低应变率(年代⁻¹)获得的应力应变曲线。由此产生的应力应变曲线比较文学中发现的。压缩测试的数值分析进行了验证实验结果。此外gravity-driven下降试验是使用长杆弹的半球形的,渗透到EPS泡沫块中。长杆弹掉测试模拟LS-DYNA通过使用参数的改进建议能够精确计算出物质损失和失败响应。材料参数调整成功的造型被报道。

1。介绍

可压碎的泡沫是适当的缓解和解决方案领域的冲击影响吸收应用,因为他们的不燃性、成本、复杂的压缩行为,和高的吸收能量的能力1]。在安全应用程序中,准确的预测行为的减震器材料非常重要,因为实验工作是一个资源饿的过程。

在过去的几年中,可压碎的泡沫已成为广泛应用的范围和更大的工程师和设计师不断改变泡沫材料的微观结构以达到所需的机械性能和行为履行对他们的应用程序的需求。可压碎的泡沫主要是用于缓冲、影响缓解、能量吸收和舒适的应用程序(2]。

一种增加车身刚度和crash-worthiness是利用当地的增援部队与合成聚氨酯泡沫。可压碎的泡沫要比其他的更有优势强化材料由于其高的能量吸收能力,加上他们的低成本和重量3]。

可压碎的泡沫的另一个重要应用是飞机跑道避雷器系统。飞机可能会溢出可用跑道区域在起飞或降落。可压碎的泡沫避雷器床系统减轻溢出从而防止飞机事故伤亡和损失(4]。

在汽车安全,可压碎的钢铁和泡沫泡沫用于新能源减少(安全)障碍。在许多纳斯卡赛马场,简单的可压碎的聚苯乙烯绝缘泡沫块放置外层钢管之间和内部的混凝土墙。这个安全屏障很低成本和重量,容易制造5,6]。

另一个应用程序的可压碎的泡沫在油井套管。生成热由于正常的钻井和生产应用程序。随着温度上升,被困流体倾向于扩大和潜在的可以创建一个非常高的压力。最有效的缓解这种压力积聚的应用解决方案可压碎的泡沫包装。这将允许套管环空内的液体被扩大。可压碎的泡沫包装之前预定的崩溃可能存在潜在危险的压力(7]。

广泛的实验工作进行了确定发泡聚苯乙烯泡沫材料的力学性能。困难出现在造型这些类型的材料,因为他们依赖于染色率。先前的研究表明,速率依赖行为与对数线性的应变率2]。此外,聚合物泡沫的力学性能取决于他们的密度8,9]。因此,开发材料模型取决于泡沫的密度和他们的应用程序。

力学行为的复杂性可压碎的泡沫是其细胞结构的结果。压缩是最常见的变形方式可压碎的泡沫在紧张和剪切。然而,紧张和集中压缩载荷会发生剪切变形或可压碎的泡沫的几何2]。

在纯压缩,有三个地区的应力-应变关系:线性压缩,压力高原和非线性压缩。泊松比是纯压缩可以忽略不计。在纯张力,这种材料就线性低变形。然而,在大变形非线性行为观察(10,11]。

在以往的研究中,为EPS泡沫材料模型。这些模型被证明是成功的情况下均匀压缩加载和低速度局部损伤(5,6,12,13]。然而,在高速局部压缩,压缩的物质经历结合模式和紧张。脆性断裂和裂纹萌生实验中观察到的材料(14,15]。因此,这些材料模型需要改进包括脆性破坏的行为。

2。实验工作

2.1。准静态压缩试验

进行了准静态压缩试验在立方标本的EPS泡沫可压碎的100毫米的长度。标本测量的平均密度为12.75千克/米³。标本被压缩到80%的初始长度。进行了压缩试验在三个不同的压缩率:50毫米/分钟,250毫米/分钟,500毫米/分钟和应变率这三个压缩率计算为0.00833 /秒,0.04167 / s,分别和0.0833 / s。

检查试样在压缩试验中,没有观察到横向伸长见图1。这证明了EPS可压碎的泡沫零泊松比。材料的体积不是保存在压缩。相反,密度增加,而材料是压缩。泊松比在应力应变图中扮演着重要的角色。最初的和最后的横截面区域EPS可压碎的泡沫在压缩保持不变。因此,工程和真实应力应变图是相同的。

压缩负荷被删除时,试样弹性恢复到大约50%的初始长度。这是由于弹性组件(基质)的聚合物泡沫。然而,一个永久性的伤害是观察到,因为泡沫细胞崩溃的压力高原地区。

压缩试验的结果绘制在图2。变形的三个区域观察到EPS可压碎的泡沫。然而,压力高原之间的过渡点和致密化地区尚不清楚。这被认为是由于泡沫细胞的破坏和永久性的伤害。屈服应力、杨氏模量和总吸收能量的泡沫材料表中列出1。

验证实验的结果,应力应变曲线的应变率0.0833⁻¹与文献中的应力应变曲线(2]。观察图3,有一个微小的区别在两条曲线。这是因为小的差别的应变率和材料的密度。标本在文献中有更高密度和应变率有点大。

2.2。Gravity-Driven落下试验

标本的EPS泡沫可压碎的方体基座的边长250毫米和400毫米的高度是固定在地上。650毫米长圆筒(3.39公斤),直径50毫米,半球形头掉在标本通过气缸管指南。长杆下降6米的高度和弹丸加速重力达到10.85 m / s的速度前标本。实验的设置如图4。观察局部损伤投影面积的弹体和周围的表面积标本并不影响见图5。这损害仅限于一个直圆柱孔泡沫标本。由于小试样的弹性恢复,弹丸小幅反弹后达到的最大深度渗透。破坏的标本被突出显示,如图6。表2总结了下测试实验的结果。

3所示。数值模拟

3.1。压缩试验模拟

准静态压缩试验的模拟使用LS-Dyna成功执行。LS-Dyna提供了许多不同类型的泡沫材料模型(16]。然而,基于以前的工作由Ozturk和Anlas [12),建模的最佳候选人MAT_CRUSHABLE_FOAM EPS泡沫可压碎的。这种材料模型需要输入五个参数:材料的密度、弹性模量、泊松比、应力应变曲线,拉伸应力截止,阻尼系数。第一个实验发现了四个参数。然而,拉伸截止和粘性阻尼系数从文献[获得12]。材料模型的参数表中列出3。该模型细网状获得准确的结果。较低的节点模型的固定,而上层节点有规定在500毫米/分钟运动。仿真图中列出的结果7。比较仿真和实验结果表明非常小的差异,从而验证材料压缩模型。

3.2。坠落试验模拟

压缩试验的材料模型模拟必须得到改善之前,可用于落下试验仿真。长杆的主要原因是影响压缩力在小面积局部表面的泡沫创造相结合的压缩和剪切。材料失效模拟借助MAT_ADD_EROSION基于塑性应变和拉应力(4]。没有材料模型中引入故障,可压碎的泡沫由于局部变形力显示问题开沟(4)和一个不切实际的凹陷形状如图8。不能获得脆性破坏模式不使用一个适当的故障判据。

现有的模型改进避免负体积误差发生由于大变形的泡沫。为了防止这个错误,应力应变曲线扩展指数的菌株(17]。扩展曲线如图9。同时,点集成固体元素之一是使用沙漏控制2型(18]。为了避免网状缠绕在高压缩领域,内部联系与活化利用厚度0.1倍。接触室内2型激活控制相结合模式的压缩和剪切LS-DYNA [4]。

允许泡沫元素失败和侵蚀导致另一个问题。一些元素在表面的泡沫将侵蚀,弹丸将接触到的一些元素内的泡沫。因此,表面表面接触不推荐。为了克服这个问题,AUTOMATICE_NODE_TO_SURFACE接触和一组使用的所有泡沫节点被定义命令中使用的联系。然而,这种方法计算罚款。

默认情况下,LS-DYNA删除元素侵蚀的质量增加的稳定性计算。然而,侵蚀的质量元素必须被认为是质量的减少可能会导致不正确的结果。在CONTROL_CONTACT卡,ENMASS改为统一的价值,这样的质量侵蚀节点保留和继续活跃在接触(19]。

4所示。讨论

4.1。准静态压缩试验

进行了压缩试验获得的物质属性EPS可压碎的泡沫,以及开发一个模型初步材料。所需的最重要的属性建模材料密度、应力应变曲线,弹性模量和泊松比。实验发现了这些属性。弹性模量和应力应变曲线是依赖于应变率。随着应变率的增加,弹性模量增加,应力应变曲线变得更加激烈。至于泊松比,它被发现是独立的应变率和总是等于零12]。

实验和模拟结果之间的比较显示了繁殖能力模型的应力应变曲线与可接受的精度,如图7。因此,建议材料参数能够精确地预测每股收益的载荷和变形可压碎的泡沫。

然而,应该注意的是,即使材料模型显示良好的压缩试验模拟精度,这仍然是一个初步的模型,需要改进如果用于大变形和故障模拟的EPS泡沫。

失败由于剪切或张力必须在材料中引入模型。尽管可压碎的泡沫不习惯紧张或剪切载荷作用下,局部的几何影响或可压碎的泡沫可能会导致剪切模式相结合,张力和压缩2]。

4.2。坠落试验

下测试实验作为一个额外的验证建议材料的参数。第一个问题在模拟中遇到负体积问题由于不稳定。现有的模型只能承受压缩到原长度的80%左右。这是因为使用的应力应变曲线模型从压缩试验获得的压缩极限是80%。然而,在下降的测试实验中,由于高动能弹,可压碎的泡沫元素可能会压缩80%以上的原始长度。它可能发生的应变模拟超过了最后一点的应力-应变曲线。如果发生这种情况,LS-DYNA扩展曲线线性曲线的斜率。这可能导致负体积相对较小的压力值和可能发生的问题。

负体积误差问题是阻止采用两种方法。首先,应力应变曲线是成倍延长在大型压力如果图如图所示9。这是一个非常有效的方法。另一个重要的参数,大大有助于防止负体积误差是通过引入LS-DYNA“联系内部”。这种类型的接触特别设计用于模拟软材料。接触室内2型被激活,这是为了控制结合的压缩和剪切模式。

在实验中,观察脆性破坏的材料由于剪切载荷。来模拟这种模式失败,ADD_EROSION是利用它允许引入材料的失效准则模型MAT_CRUSHABLE_FOAM不允许物质侵蚀。失败的标准定义是最大拉应力和最大塑性应变。这些标准的值被发现通过视觉调查和对比实验和仿真。的点材料开始裂缝,在实验中失败,和相应的失效准则值被引入仿真试验和错误的方法。

比较弹丸穿透深度的实验和仿真验证了材料参数。如图10、获得的深度剖面的模拟表明,弹到188毫米的最大穿透深度的34个毫秒。这个值的最大深度渗透匹配实验平均值如表所示2。同时,图形显示的深度略降低后达到的最大深度渗透然后增加最大。这是解释为长杆弹小幅反弹后达到的最大深度渗透,这实际上是在实验中观察到。此外,视觉对比物理测试和数值模拟显示了相似的故障模式可压碎的泡沫。如图11泡沫,损坏是本地化的抛射体的投影面积和发生故障时由于剪切应变。

5。结论

对EPS压缩测试可压碎的泡沫进行了在不同的应变率。应变率对材料性能的影响。发现在高应变率的材料能够承受更高的负载和吸收更多的能量。此外,弹性模量和屈服强度增量被发现与应变速率成比例增加。

压缩试验模拟被成功执行,结果被实验验证工作。材料模型能够再现应力应变曲线与可接受的精度。

使用长杆弹的影响下降测试对EPS可压碎的泡沫进行。插入的深度记录和计算平均值。失效模式和变形的标本进行调查。使用增强的材料参数进行了数值模拟以及一个适当的故障判据能够繁殖试验期间观察到的失效模式。最大深度渗透LS-DYNA模拟所获得的同意与实验工作。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。